Принцип роботи ДВС та його основні компоненти. Двигун внутрішнього згоряння

Погодьтеся, що сьогодні неможливо уявити собі сучасний світбез автомобілів, поїздів, теплоходів тощо. Адже так було не завжди.

Ще зовсім недавно якихось двісті років тому єдиним засобом пересування по землі, крім власних ніг, були коні. Коні возили вози, візки, карети, навіть вагони рейками.

І думка про те, що все це можна пересувати без допомоги цих нещасних тварин була з галузі фантастики. Тоді, на початку 19 століття, і почалися перші винаходи самохідних машинз урахуванням парового двигуна.

У такому двигуні нагрівався вогнем наповнений водою котел, і пара від киплячої води виконувала механічну роботу з приводу двигуна. Двигуни були жахливими, малоефективними, величезними та небезпечними. Однак, на основі цих двигунів були створені перші автомобілі, паровози та пароплави.

Винахід двигуна внутрішнього згоряння

Людям сподобалася ця витівка, незважаючи на всі мінуси. Тоді це було дивом техніки. І лише 1860 року, коли парові двигунизастосовувалися вже повсюдно і перестали вважатися чимось незвичайним, був винайдений перший двигун внутрішнього згоряння.

Ще 18 років знадобилося, щоб винахід допрацювали до нормально працюючого варіанта, який і до цього дня є основою будь-якого двигуна внутрішнього згоряння чотиритактного двигуна.

Ще за сім років двигуни почали працювати на бензині. До того їх паливом був світильний газ. У наш час практично скрізь застосовуються двигуни внутрішнього згоряння з кратною кількістю циліндрів. Давайте розглянемо пристрій та принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння.

Пристрій та принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Він складається з циліндра з поршнем, клапанів для впуску палива та випуску відпрацьованих парів та колінчастого валу, з'єднаний з поршнем. Розберемо, як працює двигун внутрішнього згоряння на основі найпростішого одноциліндрового двигуна.

Під час першого тактукрізь паливний клапанвпускається горюча суміш бензину та повітря. Поршень рухається вниз.

на другому тактіпоршень рухається вгору, стискаючи цю суміш, чому вона нагрівається.

Третій такт: стисла суміш підпалюється електричною свічкою, і енергія від цього невеликого вибуху штовхає поршень вниз, приводячи в рух колінчастий вал. Енергії поштовху достатньо, щоб колінвал, обертаючись за інерцією, наводив рух поршень при наступних тактах.

І нарешті, на четвертому такті, Крізь другий клапан відпрацьовані гази виштовхуються поршнем з циліндра. Як видно, лише один із чотирьох тактів робітник.

Для рівномірного обертання валу та збільшення потужності поєднують на одному валу чотири циліндри таким чином, щоб під час кожного такту один з циліндрів був у стадії робочого ходу. У такому разі вони рівномірно та послідовно обертають колінвал. Вісім, дванадцять і більше циліндрів застосовуються виключно для збільшення

У переважній більшості автомобілів використовуються як паливо для двигунів похідні нафти. При згорянні цих речовин виділяються гази. У замкнутому просторівони утворюють тиск. Складний механізм сприймає ці навантаження і трансформує їх спочатку в поступальний рух, а потім - у обертальний. На цьому ґрунтується принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння. Далі обертання вже передається на провідні колеса.

Поршневий двигун

У чому перевага такого механізму? Що дав новий принципроботи двигуна внутрішнього згоряння? Нині їм обладнуються як автомобілі, а й сільськогосподарський і вантажний транспорт, локомотиви поїздів, мотоцикли, мопеди, скутера. Двигуни такого типу встановлюються на військової техніки: танки, бронетранспортери, вертольоти, катери. Ще можна згадати про бензопили, косарки, мотопомпи, генераторні підстанції та інше мобільне обладнання, в якому використовується для роботи дизельне паливо, бензин або газова суміш.

До винаходу принципу внутрішнього згоряння паливо, частіше тверде (вугілля, дрова), спалювалося в окремій камері. Для цього застосовувався котел, який грів воду. Як першоджерело рушійної сили використовувався пар. Такі механізми були масивними та габаритними. Ними обладналися локомотиви паровозів та теплоходи. Винахід двигуна внутрішнього згоряння дало змогу в рази зменшити габарити механізмів.

Система

Працюючи двигуна постійно відбувається ряд циклічних процесів. Вони повинні бути стабільними і проходити за певний проміжок часу. Ця умова забезпечує безперебійну роботувсіх систем.

У дизельних двигунів паливо попередньо не готується. Система подачі палива доставляє його з бака і подається під високим тиском в циліндри. Бензин по дорозі попередньо змішується з повітрям.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння такий, що система запалювання спалахує цю суміш, а кривошипно-шатунний механізм приймає, трансформує та передає енергію газів на трансмісію. Газорозподільна система випускає з циліндрів продукти горіння та виводить їх за межі транспортного засобу. Принагідно знижується звук вихлопу.

Система мастила забезпечує можливість обертання рухомих вузлів. Проте тертьові поверхні нагріваються. Система охолодження стежить за тим, щоб температура не виходила за межі допустимих значень. Хоча всі процеси відбуваються в автоматичному режимі, за ними все ж таки необхідно спостерігати. Це забезпечує система керування. Вона передає дані на пульт у кабіну водія.

Достатньо складний механізмповинен мати корпус. У ньому монтуються основні вузли та агрегати. Додаткове обладнаннядля систем, що забезпечують нормальну його роботу, розміщується поблизу та монтується на знімних кріпленнях.

У блоці циліндрів розташовується кривошипно-шатунний механізм. Основне навантаження від згорілих газів палива передається на поршень. Він шатуном з'єднаний з колінчастим валом, який перетворює поступальний руху обертальне.

Також у блоці розміщується циліндр. По його внутрішній площині переміщається поршень. На ньому прорізані канавки, в яких розміщуються кільця ущільнювачів. Це необхідно для мінімізації зазору між площинами та створення компресії.

Зверху до корпусу кріпиться головка блоку циліндрів. У ній монтується газорозподільний механізм. Він складається з валу з ексцентриками, коромисел та клапанів. Їхнє почергове відкриття та закриття забезпечують впуск палива всередину циліндра та випуск потім відпрацьованих продуктів горіння.

Донизу корпусу монтується піддон блоку циліндрів. Туди стікає масло після того, як воно змаже терть з'єднання деталей вузлів і механізмів. Усередині двигуна ще розташовані канали, якими циркулює охолодна рідина.

Принцип роботи ДВС

Суть процесу полягає у перетворенні одного виду енергії в інший. Це відбувається при спалюванні палива у замкнутому просторі циліндра двигуна. Гази, що виділяються при цьому, розширюються, і всередині робочого простору створюється надлишковий тиск. Його сприймає поршень. Він може рухатися вгору-вниз. Поршень за допомогою шатуна з'єднаний з колінчастим валом. По суті, це головні деталі кривошипно-шатунного механізму - основного вузла, що відповідає за перетворення хімічної енергії палива у обертальний рух валу.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння ґрунтується на почерговій зміні циклів. При поступальному русі поршня вниз відбувається робота - на певний кут провертається колінчастий вал. На одному його кінці закріплено потужний маховик. Отримавши прискорення, він інерцією продовжує рух, і це ще провертає колінчастий вал. Тепер шатун штовхає поршень нагору. Він займає робоче становище і знову готовий прийняти на себе енергію спалахненого палива.

Особливості

Принцип роботи ДВС легкових автомобілівнайчастіше заснований на перетворенні енергії бензину, що згоряється. Вантажівки, трактори та спеціальна технікаобладнуються переважно дизельними двигунами. Ще як паливо може використовуватися скраплений газ. Дизельні двигуни не мають системи запалювання. Запалення палива походить від створюваного тискуу робочій камері циліндра.

Робочий цикл може здійснюватися за один або два обороти колінчастого валу. У першому випадку відбувається чотири такти: впуск палива та його займання, робочий хід, стиск, випуск відпрацьованих газів. Двотактний двигун внутрішнього згоряння повний цикл здійснює за один оборот колінчастого валу. При цьому за один такт відбувається впуск палива та його стиск, а на другому - займання, робочий хід та випуск відпрацьованих газів. Роль газорозподільного механізму двигунах такого типу грає поршень. Рухаючись вгору-вниз, він по черзі відкриває вікна впуску палива та випуску відпрацьованих газів.

Крім поршневих ДВС існують ще турбінні, реактивні та комбіновані двигунивнутрішнього згоряння. Перетворення у них енергії палива в поступальний рух транспортного засобу здійснюється за іншими принципами. Пристрій двигуна та допоміжних системтакож суттєво відрізняється.

Втрати

Незважаючи на те, що ДВЗ відрізняється надійністю та стабільністю роботи, його ефективність недостатньо висока, як це може здатися на перший погляд. У математичному вимірі ККД двигунавнутрішнього згоряння становить середньому 30-45 %. Це говорить про те, що більша частина енергії палива, що згоряється, витрачається вхолосту.

ККД кращих бензинових двигунівможе становити лише 30%. І тільки потужні економні дизелі, які мають багато додаткових механізмів і систем, можуть ефективно перетворити до 45% енергії палива в перерахунку на потужність і корисну роботу.

Пристрій двигуна внутрішнього згоряння не може унеможливити втрати. Частина палива не встигає згоряти і йде з відпрацьованими газами. Інша стаття втрат - це витрата енергії на подолання різноманітних опорів при терті пов'язаних поверхонь деталей вузлів і механізмів. І ще якась її частина витрачається на приведення в дію систем двигуна, що забезпечують його нормальну і безперебійну роботу.

Двигун внутрішнього згоряння називається так тому, що паливо займається безпосередньо всередині його робочої камери, а не в додаткових зовнішніх носіях. Принцип роботи ДВЗ заснований на фізичному ефекті теплового розширення газів, що утворюються в процесі згоряння. паливно-повітряної сумішіпід тиском усередині циліндрів двигуна. Енергія, що виділяється в цьому процесі, перетворюється на механічну роботу.

У процесі еволюції ДВС виділилися кілька типів двигунів, їх класифікація та загальний устрій:

• Поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Вони робоча камера перебуває усередині циліндрів, а теплова енергія перетворюється на механічну роботу у вигляді кривошипно-шатунного механізму, що передає енергію руху на колінчастий вал. Поршневі двигуниділяться, у свою чергу, на:
  • карбюраторні, в яких повітряно-паливна суміш формується в карбюраторі, впорскується в циліндр і займається там іскрою від свічки запалювання;
  • інжекторні, в яких суміш подається безпосередньо у впускний колектор, через спеціальні форсунки, під контролем електронного блокууправління, а також займається за допомогою свічки;
  • дизельні, в яких займання повітряно- паливної сумішівідбувається без свічки, за допомогою стиснення повітря, яке від тиску нагрівається до температури, що перевищує температуру горіння, а паливо впорскується в циліндри через форсунки.
• Роторно-поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Тут теплова енергія перетворюється на механічну роботу за допомогою обертання робочими газами ротора. спеціальної формита профілю. Ротор рухається «планетарною траєкторією» всередині робочої камери, що має форму «вісімки», і виконує функції як поршня, так і ГРМ (газорозподільного механізму), і колінчастого валу.
• Газотурбінні двигуни внутрішнього згоряння. Особливості їх пристрою полягають у перетворенні теплової енергії на механічну роботу за допомогою обертання ротора зі спеціальними клиноподібними лопатками, що приводить у рух вал турбіни.

Далі розглядаються тільки поршневі двигуни, так як тільки вони набули широкого поширення в автомобільної промисловості. Основні причини цього: надійність, вартість виробництва та обслуговування, висока продуктивність.

Пристрій двигуна внутрішнього згоряння

Схема влаштування двигуна.

Перші поршневі ДВЗмали лише один циліндр невеликого діаметра. Надалі для збільшення потужності спочатку збільшували діаметр циліндра, а потім і їх кількість. Поступово двигуни внутрішнього згоряння набули звичного нам вигляду. "Серце" сучасного автомобіля може мати до 12 циліндрів.

Найбільш простим є двигун з рядним розташуванням циліндрів. Однак, зі збільшенням кількості циліндрів зростає лінійний розмір двигуна. Тому з'явився компактніший варіант розташування - V-подібний. При такому варіанті циліндри розташовані під кутом один до одного (в межах 180 градусів). Зазвичай використовується для 6-циліндрових двигунів та більше.

Одна з основних частин двигуна - циліндр (6), в якому знаходиться поршень (7), з'єднаний через шатун (9) з колінчастим валом (12). Прямолінійний рух поршня в циліндрі вгору і вниз шатун і кривошип перетворять на обертальний рух колінчастого валу.

На кінці валу закріплений маховик (10), призначення якого надавати рівномірність обертання валу при роботі двигуна. Зверху циліндр щільно закритий головкою блоку циліндрів (ГБЦ), в якій знаходяться впускний (5) та випускний (4) клапани, що закривають відповідні канали.

Клапани відкриваються під дією кулачків розподільчого валу (14) через передавальні механізми (15). Розподільний вал приводиться у обертання шестернями (13) від колінчастого валу.
Для зменшення втрат на подолання тертя, відведення теплоти, запобігання задир і швидкого зносудеталі, що труться, змащують маслом. Для створення нормального теплового режиму в циліндрах двигун повинен охолоджуватися.

Але головне завдання – змусити працювати поршень, адже саме він є головною рушійною силою. Для цього в циліндри повинні подаватися горюча суміш у певній пропорції (у бензинових) або відміряні порції палива в певний момент під високим тиском (у дизелів). Паливо спалахує в камері згоряння, відкидає поршень з великою силою вниз, тим самим рухаючи його.

Принцип роботи двигуна

Схема роботи двигуна.

Через низьку продуктивність і високої витратипалива 2-тактних двигунів практично всі сучасні двигуни виробляють із 4-тактними циклами роботи:

1. Впуск палива;
2. Стиснення палива;
3. згоряння;
4. Виведення відпрацьованих газів за межі камери згоряння.

Точка відліку – положення поршня вгорі (ВМТ – верхня мертва точка). У Наразівпускний отвір відкривається клапаном, поршень починає рух вниз і засмоктує паливну суміш у циліндр. Це перший такт циклу.

Під час другого такту поршень досягає найнижчої точки (НМТ - нижня мертва точка), при цьому впускний отвір закривається, поршень починає рухатися вгору, через що паливна суміш стискається. При досягненні поршнем максимальної верхньої точкипаливна суміш стиснута до максимуму.

Третій етап – це підпалювання стиснутої паливної суміші за допомогою свічки, яка випромінює іскру. В результаті горючий склад вибухає і штовхає поршень із великою силою вниз.

На заключному етапі поршень досягає нижньої межі та за інерцією повертається до верхньої точки. У цей час відкривається випускний клапан, відпрацьована суміш у вигляді газу виходить із камери згоряння та через вихлопну систему потрапляє на вулицю. Після цього цикл, починаючи з першого етапу, повторюється знову і продовжується протягом усього часу роботи двигуна.

Описаний вище спосіб є універсальним. За таким принципом побудовано роботу практично всіх бензинових моторів. Дизельні двигуни відрізняються тим, що там немає свічок запалювання – елемента, який підпалює паливо. Детонація дизельного паливаздійснюється завдяки сильному стиску паливної суміші. При такті "впуск" в циліндри дизеля надходить чисте повітря. Під час такту «стиснення» повітря нагрівається до 600О С. Наприкінці цього такту в циліндр впорскується певна порція палива, що самозаймається.

Системи двигуна

Вищеописане є БЦ (блок циліндрів) і КШМ (кривошипно-шатунний механізм). Крім цього сучасний ДВСскладається з інших допоміжних систем, які для зручності сприйняття групують наступним чином:

1. ГРМ (механізм регулювання фаз газорозподілу);
2. Система змазки;
3. Система охолодження;
4. Система подачі палива;
5. Вихлопна система.

ГРМ – газорозподільний механізм

Щоб у циліндр надходила необхідна кількість палива та повітря, а продукти згоряння вчасно видалялися з робочої камери, у ДВС передбачено механізм, званий газорозподільним. Він відповідає за відкриття та закриття впускних та випускних клапанів, через які в циліндри надходить паливо-повітряна горюча суміш і видаляються вихлопні гази. До деталей ГРМ належать:

• Розподільний вал;
• Впускні та випускні клапани з пружинами та напрямними втулками;
• Деталі приводу клапанів;
• Елементи приводу ГРМ.

ГРМ приводиться в дію від колінчастого валу двигуна автомобіля. За допомогою ланцюга або ременя обертання передається на розподільний валякий за допомогою кулачків або коромисел через штовхачі натискає на впускний або випускний клапан і по черзі відкриває та закриває їх.

Система змазки

У будь-якому моторі є безліч деталей, що труться, які необхідно постійно змащувати, щоб зменшити втрати потужності на тертя і уникнути підвищеного зносута заклинювання. Для цього існує система мастила. Принагідно з її допомогою вирішується ще кілька завдань: захист деталей двигуна внутрішнього згоряння від корозії, додаткове охолодженнядеталей мотора, а також видалення продуктів зносу з місць зіткнення частин, що труться. Систему змащення двигуна автомобіля утворюють:

• Олійний картер (піддон);
• Насос подачі олії;
• Олійний фільтр з редукційним клапаном;
• Маслопроводи;
• Масляний щуп (індикатор рівня олії);
• Покажчик тиску у системі;
• Маслоналивна горловина.

Система охолодження

Під час роботи двигуна його деталі стикаються з розпеченими газами, які утворюються при згоранні паливо-повітряної суміші. Щоб деталі двигуна внутрішнього згоряння не руйнувалися через надмірне розширення при нагріванні, їх необхідно охолоджувати. Охолодити двигун автомобіля можна за допомогою повітря або рідини. Сучасні двигунимають, як правило, рідинну схему охолодження, яку утворюють такі частини:

• Сорочка охолодження двигуна;
• Насос (насос);
• Термостат;
• Радіатор;
• Вентилятор;
• Розширювальний бачок.

Система подачі палива

Система живлення для двигунів внутрішнього згоряння із запаленням від іскри та від стиснення відрізняються один від одного, хоч і мають ряд загальних елементів. Спільними є:

• Паливний бак;
• Датчик рівня палива;
• Фільтри очищення палива - грубої та тонкої;
• Паливні трубопроводи;
• Впускний колектор;
• Повітряні патрубки;
• Повітряний фільтр.

В обох системах є паливні насоси, паливні рампи, форсунки подачі палива, сам принцип подачі однаковий: паливо з бака за допомогою насоса через фільтри подається в паливну рампу, з якої потрапляє у форсунки. Але якщо в більшості бензинових двигунів внутрішнього згоряння форсунки подають його до впускного колектора мотора автомобіля, то в дизельних воно подається безпосередньо в циліндр, і вже там змішується з повітрям.

Ось уже близько ста років усюди у світі основним силовим агрегатомна автомобілях та мотоциклах, тракторах та комбайнах, іншій техніці є двигун внутрішнього згоряння. Прийшовши на початку ХХ століття на зміну двигунам зовнішнього згоряння(паровим), він і в віці двадцять першому залишається найбільш економічно ефективним видом двигуна. У цій статті ми докладно розглянемо пристрій, принцип роботи різних видівДВЗ та його основних допоміжних систем.

Визначення та загальні особливості роботи ДВС

Головна особливість будь-якого двигуна внутрішнього згоряння полягає в тому, що паливо займається безпосередньо всередині його робочої камери, а не додаткових зовнішніх носіїв. У процесі роботи хімічна та теплова енергія від згоряння палива перетворюється на механічну роботу. Принцип роботи ДВС заснований на фізичному ефекті теплового розширення газів, що утворюється у процесі згоряння паливно-повітряної суміші під тиском усередині циліндрів двигуна.

Класифікація двигунів внутрішнього згоряння

У процесі еволюції ДВС виділилися такі типи даних моторів, що довели свою ефективність:

• Поршневідвигун внутрішнього згорання. Вони робоча камера перебуває усередині циліндрів, а теплова енергія перетворюється на механічну роботу у вигляді кривошипно-шатунного механізму, що передає енергію руху на колінчастий вал. Поршневі мотори діляться, у свою чергу, на
• карбюраторні, В яких повітряно-паливна суміш формується в карбюраторі, впорскується в циліндр і займається там іскрою від свічки запалювання;

• інжекторні, в яких суміш подається безпосередньо у впускний колектор, через спеціальні форсунки, під контролем електронного блоку управління, і також займається за допомогою свічки;
• дизельні, В яких займання повітряно-паливної суміші відбувається без свічки, за допомогою стиснення повітря, яке від тиску нагрівається від температури, що перевищує температуру горіння, а паливо впорскується в циліндри через форсунки.
• Роторно-поршневідвигун внутрішнього згорання. У моторах даного типутеплова енергія перетворюється на механічну роботу за допомогою обертання робочими газами ротора спеціальної форми та профілю. Ротор рухається «планетарною траєкторією» всередині робочої камери, що має форму «вісімки», і виконує функції як поршня, так і ГРМ (газорозподільного механізму), і колінчастого валу.
• Газотурбіннідвигун внутрішнього згорання. У цих моторах перетворення теплової енергії в механічну роботу здійснюється за допомогою обертання ротора зі спеціальними клиноподібними лопатками, що приводить в рух вал турбіни.

Найбільш надійними, невибагливими, економічними в плані витрачання палива та необхідності в регулярному техобслуговуванні є поршневі двигуни.

Техніку з іншими видами ДВС можна вносити до Червоної книги. В наш час автомобілі з роторно-поршневими двигунамиробить тільки "Mazda". Досвідчену серію автомашин з газотурбінним двигуном випускав «Chrysler», але це було в 60-х роках, і більше до цього питання ніхто з автовиробників не повертався. У СРСР газотурбінними двигунамиоснащувалися танки "Т-80" і десантні кораблі "Зубр", але надалі вирішено було відмовитися від цього типу моторів. У зв'язку з цим, докладно зупинимося на тих, хто «завоював світове панування» поршневі двигуни внутрішнього згоряння.

Корпус двигуна поєднує в єдиний організм:

• блок циліндрів, всередині камер згоряння яких займається паливно-повітряна суміш, а гази від цього згоряння надають руху поршні;
• кривошипно-шатунний механізм, що передає енергію руху на колінчастий вал;
• газорозподільчий механізм, який покликаний забезпечувати своєчасне відкриття/закриття клапанів для впуску/випуску горючої сумішіта відпрацьованих газів;
• система подачі («уприскування») та займання («запалювання») паливно-повітряної суміші;
• система видалення продуктів горіння (вихлопних газів).

Чотирьохтактний двигун внутрішнього згоряння в розрізі

При пуску двигуна в його циліндри через впускні клапани впорскується повітряно-паливна суміш і запалюється там від свічки іскри запалювання. При згорянні і тепловому розширенні газів від надлишкового тиску поршень починає рухатися, передаючи механічну роботу на обертання коленвала.

Робота поршневого двигуна внутрішнього згоряння здійснюється циклічно. Ці цикли повторюються з частотою кілька сотень разів на хвилину. Це забезпечує безперервне поступальне обертання колінчастого валу, що виходить з двигуна.

Визначимося у термінології. Такт - це робочий процес, що відбувається в двигуні за один хід поршня, точніше, за його рух в одному напрямку, вгору або вниз. Цикл - це сукупність тактів, що повторюються певної послідовності. За кількістю тактів у межах одного робочого циклу ДВС поділяються на двотактні (цикл здійснюється за один оборот коленвала і два ходи поршня) і чотиритактні (за два обороти колінвала і чотири ходи поршня). При цьому, як у тих, так і в інших двигунах, робочий процес йде за таким планом: впуск; стиск; згоряння; розширення та випуск.

Принципи роботи ДВС

- Принцип роботи двотактного двигуна

Коли відбувається запуск двигуна, поршень, що захоплюється поворотом колінчастого валу, починає рухатися. Як тільки він досягає своєї нижньої мертвої точки (НМТ) і переходить до руху вгору, камеру згоряння циліндра подається паливно-повітряну суміш.

У своєму русі вгору поршень стискає її. У момент досягнення поршнем його верхньої мертвої точки (ВМТ) іскра від свічки електронного запалювання спалахує паливно-повітряну суміш. Миттєво розширюючись, пари палива, що горить, стрімко штовхають поршень назад до нижньої мертвої точки.

У цей час відкривається випускний клапан, через який розжарені вихлопні гази видаляються з камери згоряння. Знову пройшовши НМТ, поршень відновлює свій рух до ВМТ. За цей час колінчастий вал здійснює один оборот.

При новому русі поршня знову відкривається канал впуску паливно-повітряної суміші, яка заміщає весь обсяг відпрацьованих газів, що вийшли, і весь процес повторюється заново. Зважаючи на те, що робота поршня в подібних моторах обмежується двома тактами, він робить набагато меншу, ніж у чотиритактному двигуні, кількість рухів за певну одиницю часу. Мінімізуються втрати на тертя. Однак виділяється велика теплова енергія, і двотактні двигуни швидше та сильніше гріються.

У двотактних двигунах поршень замінює собою клапанний механізмгазорозподілу, в ході свого руху в певні моменти відкриваючи та закриваючи робочі отвори впуску та випуску в циліндрі. Найгірший, в порівнянні з чотиритактним двигуном, газообмін є головним недоліком двотактної системиДВЗ. У момент видалення вихлопних газів втрачається певний відсоток як робочої речовини, а й потужності.

Сферами практичного застосування двотактних двигуніввнутрішнього згоряння стали мопеди та моторолери; човнові мотори, газонокосарки, бензопили тощо. малопотужна техніка.

Даних недоліків позбавлені чотиритактні ДВС, які, різних варіантах, і встановлюються на практично всі сучасні автомобілі, трактори та іншу техніку. Вони впуск/ випуск горючої суміші/вихлопних газів здійснюються як окремих робочих процесів, а чи не поєднані зі стиском і розширенням, як і двухтактных. За допомогою газорозподільного механізму забезпечується механічна синхронність роботи впускних та випускних клапанів із оборотами коленвала. У чотиритактному двигуні впорскування паливно-повітряної суміші відбувається тільки після повного видалення відпрацьованих газів та закриття випускних клапанів.

Процес роботи двигуна внутрішнього згоряння

Кожен такт роботи становить один хід поршня в межах від верхньої до нижньої мертвих точок. При цьому двигун проходить через наступні фази роботи:

• Такт перший, впуск. Поршень здійснює рух від верхньої до нижньої мертвої точки. У цей час усередині циліндра виникає розрядження, відкривається впускний клапан і надходить паливно-повітряна суміш. На завершення впуску тиск у порожнині циліндра становить у межах від 0,07 до 0,095 МПа; температура – ​​від 80 до 120 градусів Цельсія.
• Такт другий, стиск. При русі поршня від нижньої до верхньої мертвої точки і закритих впускний і випускний клапан відбувається стиснення горючої суміші в порожнині циліндра. Цей процес супроводжується підвищенням тиску до 1,2-1,7 МПа, а температури – до 300-400 градусів Цельсія.
• Такт третій, розширення. Паливно-повітряна суміш спалахує. Це супроводжується виділенням значної кількості теплової енергії. Температура в порожнині циліндра різко зростає до 2,5 тисячі градусів за Цельсієм. Під тиском поршень швидко рухається до своєї нижньої мертвої точки. Показник тиску становить від 4 до 6 Мпа.
• Такт четвертий, випуск. Під час зворотного руху поршня до верхньої мертвої точки відкривається випускний клапан, через який вихлопні гази виштовхуються з циліндра у випускний трубопровід, а потім і в навколишнє середовище. Показники тиск у завершальній стадії циклу становлять 0,1-0,12 МПа; температури – 600-900 градусів за Цельсієм.

Допоміжні системи двигуна внутрішнього згоряння

Система запалювання є частиною електрообладнання машини та призначена для забезпечення іскри, що займає паливно-повітряну суміш у робочій камері циліндра. Складовими частинамисистеми запалення є:

• Джерело живлення. Під час запуску двигуна таким є акумуляторна батарея, а під час його роботи – генератор.
• Вмикач або замок запалювання. Це раніше механічне, а в Останніми рокамивсе частіше електричне контактний пристрійдля подачі напруги.
• Накопичувач енергії. Котушка або автотрансформатор - вузол, призначений для накопичення та перетворення енергії, достатньої для виникнення потрібного розряду між електродами свічки запалювання.
• Розподільник запалювання (трамблер). Пристрій, призначений для розподілу імпульсу високої напругипо дротах, що ведуть до свічок кожного з циліндрів.

Система запалення ДВЗ

- Впускна система

Система впуску ДВЗ призначена длябезперебійний подачі в двигунатмосферного повітря,для його змішування з паливом та приготування горючої суміші. Слід зазначити, що в карбюраторних двигунах минулого впускна система складається з повітроводу та повітряного фільтра. І все. В склад впускної системисучасних автомобілів, тракторів та іншої техніки входять:

• Повітрозабірник. Є патрубком зручної для кожного конкретного двигуна форми. Через нього атмосферне повітрявсмоктується всередину двигуна, за допомогою різниці в показниках тиску в атмосфері та двигуні, де при русі поршнів виникає розрідження.
• Повітряний фільтр. Це видатковий матеріал, призначений для очищення повітря, що надходить в мотор від пилу і твердих частинок, їх затримки на фільтрі.
• Дросельна заслінка. Повітряний клапанпризначений для регулювання подачі потрібної кількості повітря. Механічно вона активується натисканням на педаль газу, а в сучасній техніці – за допомогою електроніки.
• Впускний колектор. Розподіл потік повітря по циліндрах мотора. Для додання повітряному потокуНеобхідного розподілу використовуються спеціальні впускні заслінки та вакуумний підсилювач.

Паливна система, або система харчування ДВС, «Відповідає» за безперебійну подачу пальногодля утворення паливно-повітряної суміші До складу паливної системи входять:

• Паливний бак- ємність для зберігання бензину або дизпалива, із пристроєм для забору пального (насосом).
• Паливопроводи- комплекс трубок і шлангів, якими до двигуна надходить його «їжа».
• Пристрій сумішоутворення, тобто карбюратор або інжектор- спеціальний механізм для приготування паливно-повітряної суміші та її упорскування в ДВЗ.
• Електронний блок керування(ЕБУ) сумішоутворенням та упорскуванням - в інжекторних двигунахцей пристрій «відповідає» за синхронну та ефективну роботуза освітою та подачею горючої суміші в мотор.
• Паливний насос - електричний пристрійдля нагнітання бензину чи солярки у паливопровід.
• Паливний фільтр – витратний матеріал для додаткового очищення палива в процесі його транспортування від бака до двигуна.

Схема паливної системи ДВЗ

- Система змазки

Призначення системи мастила ДВС -зменшення сили тертята її руйнівного впливу на деталі; відведеннячастини зайвого тепла; видаленняпродуктів нагару та зносу; захистметалу від корозії. Система мастила ДВС включає:

• Піддон картера- резервуар для зберігання моторної олії. Рівень олії в піддоні контролюється не лише спеціальним щупом, а й датчиком.
• Масляний насос- хитає масло з піддону і подає його до потрібних деталей двигуна через спеціальні просвердлені канали-магістралі. Під дією сили тяжіння олія стікає зі змащених деталей вниз, назад у піддон картера, накопичується там, і цикл мастила повторюється знову.
• Масляний фільтрзатримує та видаляє з моторного масла тверді частинки, що утворюються з нагару та продуктів зносу деталей. Фільтруючий елемент завжди змінюється на новий разом із кожною заміною моторного масла.
• Масляний радіаторпризначений для охолодження моторної олії, за допомогою рідини із системи охолодження двигуна.

Вихлопна система ДВСслужить для видаленнявідпрацьованих газіві зменшення шумностіроботи двигуна. У сучасній техніці вихлопна система складається з наступних деталей (по порядку виходу відпрацьованих газів з двигуна):

• Випускний колектор.Це система труб із жароміцного чавуну, яка приймає розжарені відпрацьовані гази, гасить їх первинний коливальний процес і відправляє далі, у приймальну трубу.
• Приймальна труба- вигнутий газовідведення з вогнестійкого металу, що в народі називається «штанами».
• Резонатор, або, кажучи народною мовою, «банку» глушника - ємність, у якій відбувається поділ вихлопних газів та зниження їхньої швидкості.
• Каталізатор- пристрій, призначений для очищення вихлопних газів та їх нейтрадизації.
• Глушник- ємність з комплексом спеціальних перегородок, призначених для багаторазової зміни напрямку руху потоку газів і, відповідно, їхньої шумності.

Вихлопна система ДВЗ

- Система охолодження

Якщо на мопедах, моторолерах і недорогих мотоциклахдо цих пір застосовується повітряна система охолодження двигуна - зустрічним потоком повітря, то для більш потужної технікиїї, зрозуміло, недостатньо. Тут працює рідинна системаохолодження, призначена для забирання зайвого теплау мотора та зниження теплових навантаженьйого деталі.

• РадіаторСистема охолодження служить для віддачі надлишкового тепла в навколишнє середовище. Він складається з великої кількостівигнутих алюмінієвих трубок, з ребрами для додаткової тепловіддачі.
• Вентиляторпризначений для посилення охолодного ефекту на радіатор від зустрічного потоку повітря.
• Водяний насос(Помпа) - «ганяє» охолодну рідину по «малому» і «великому» колах, забезпечуючи її циркуляцію через двигун і радіатор.
• Термостат- спеціальний клапан, що забезпечує оптимальну температуру охолоджуючої рідини шляхом запуску її «малого кола», минаючи радіатор (при холодному двигуні) і по «великому колу», через радіатор - при прогрітому двигуні.

Злагоджена робота даних допоміжних систем забезпечує максимальну віддачу від двигуна внутрішнього згоряння та його надійність.

На закінчення необхідно відзначити, що в найближчому майбутньому не передбачається появи гідних конкурентів двигуну внутрішнього згоряння. Є всі підстави стверджувати, що у своєму сучасному, вдосконаленому вигляді він ще кілька десятиліть залишиться панівним видом мотора у всіх галузях світової економіки.

У пристрої двигуна поршень є ключовим елементом робочого процесу. Поршень виконаний у вигляді металевої склянки порожнистої, розташованого сферичним дном (головка поршня) вгору. Напрямна частина поршня, інакше звана спідницею, має неглибокі канавки, призначені для фіксації поршневих кілець. Призначення поршневих кілець – забезпечувати, по-перше, герметичність надпоршневого простору, де при роботі двигуна відбувається миттєве згоряння бензиново-повітряної суміші і газ, що розширюється, не міг, обігнувши спідницю, прямувати під поршень. По-друге, кільця запобігають попаданню олії, що знаходиться під поршнем, у надпоршневий простір. Таким чином, кільця у поршні виконують функцію ущільнювачів. Нижнє (нижні) поршневе кільце називається маслознімним, а верхнє (верхні) – компресійним, тобто таким, що забезпечує високий ступіньстиснення суміші.

Коли з карбюратора або інжектора всередину циліндра потрапляє паливно-повітряна або паливна суміш, вона стискається поршнем при русі вгору і підпалюється електричним розрядомвід свічки системи запалення (у дизелі відбувається самозаймання суміші за рахунок різкого стиснення). Гази згоряння, що утворюються, мають значно більший об'єм, ніж вихідна паливна суміш, і, розширюючись, різко штовхають поршень вниз. Таким чином теплова енергія палива перетворюється на зворотно-поступальний (вгору-вниз) рух поршня в циліндрі.

Далі необхідно перетворити цей рух на обертання валу. Відбувається це так: усередині спідниці поршня розташований палець, на якому закріплюється верхня частина шатуна, останній шарнірно зафіксований на кривошипі колінчастого валу. Колінвал вільно обертається на опорні підшипники, що розташовані в картері двигуна внутрішнього згоряння. При русі поршня шатун починає обертати коленвал, з якого момент, що крутить, передається на трансмісію і - далі через систему шестерень - на провідні колеса.

Технічні характеристики двигуна. Характеристики двигуна При русі вгору-вниз у поршня є два положення, які називаються мертвими точками. Верхня мертва точка (ВМТ) - це момент максимального підйому головки і всього поршня вгору, після чого він починає рух вниз; нижня мертва точка (НМТ) – найнижче положення поршня, після якого вектор напрямку змінюється і поршень спрямовується вгору. Відстань між ВМТ і НМТ названо ходом поршня, об'єм верхньої частини циліндра при положенні поршня у ВМТ утворює камеру згоряння, а максимальний об'єм циліндра при положенні поршня НМТ називається повним об'ємом циліндра. Різниця між повним об'ємом та об'ємом камери згоряння отримала найменування робочого об'єму циліндра.
Сумарний робочий об'єм всіх циліндрів двигуна внутрішнього згоряння вказується в технічні характеристикидвигуна, що виражається в літрах, тому в побуті називається літражем двигуна. Другий найважливішою характеристикоюбудь-якого ДВС є ступінь стиснення (СС), що визначається як окреме від розподілу повного об'єму на об'єм камери згоряння. У карбюраторних двигунівСС варіює в інтервалі від 6 до 14, у дизелів - від 16 до 30. Саме цей показник поряд з об'ємом двигуна визначає його потужність, економічність та повноту згоряння паливо-повітряної суміші, що впливає на токсичність викидів при роботі ДВЗ.
Потужність двигуна має бінарне позначення – кінських силах(к.с.) та в кіловатах (кВт). Для переведення одиниць одна в іншу застосовується коефіцієнт 0,735, тобто 1 л. = 0,735 квт.
Робочий цикл чотиритактного ДВЗ визначається двома оборотами колінчастого валу - по півоберта на такт, що відповідає одному ходу поршня. Якщо двигун одноциліндровий, то його роботі спостерігається нерівномірність: різке прискоренняходу поршня при вибуховому згоранні суміші та уповільнення його у міру наближення до НМТ і далі. Для того, щоб цю нерівномірність купірувати, на валу за межами корпусу двигуна встановлюється потужний диск-маховик з великою інерційністю, завдяки чому момент обертання валу в часі стає більш стабільним.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння
Сучасний автомобіль, Найчастіше, наводиться в рух двигуном внутрішнього згоряння. Таких двигунів існує безліч. Розрізняються вони обсягом, кількістю циліндрів, потужністю, швидкістю обертання, використовуваним паливом (дизельні, бензинові та газові ДВЗ). Але, важливо, пристрій двигуна внутрішнього згоряння, схоже.
Як працює двигун і чому називається чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння? Про внутрішнє згоряння відомо. Усередині двигуна згоряє паливо. А чому 4 такти двигуна, що це таке? Справді, бувають двотактні двигуни. Але на автомобілях вони використовуються дуже рідко.
Чотирьохтактний двигун називається через те, що його роботу можна розділити на чотири, рівні за часом, частини. Поршень чотири рази пройде циліндром – два рази вгору і двічі вниз. Такт починається при знаходженні поршня у крайній нижній або верхній точці. У автомобілістів-механіків це називається верхня мертва точка (ВМТ) та нижня мертва точка (НМТ).
Перший такт - такт впуску

Перший такт, він же впускний, починається з ВМТ ( верхньої мертвоїточки). Рухаючись вниз, поршень, всмоктує в циліндр паливоповітряну суміш. Робота такту відбувається при відкритому клапані впуску. До речі, існує багато двигунів із кількома впускними клапанами. Їхня кількість, розмір, час перебування у відкритому стані може суттєво вплинути на потужність двигуна. Є двигуни, в яких залежно від натискання на педаль газу відбувається примусове збільшення часу знаходження. впускних клапаніву відкритому стані. Це зроблено для збільшення кількості палива, що всмоктується, яке, після займання, збільшує потужність двигуна. Автомобіль у цьому випадку може набагато швидше прискоритися.

Другий такт – такт стиснення

Наступний такт роботи двигуна – такт стискування. Після того як поршень досяг нижньої точки, він починає підніматися вгору, тим самим стискаючи суміш, яка потрапила в циліндр в такт впуску. Паливна суміш стискається до обсягів згоряння камери. Що це за така камера? Вільний простір між верхньою частиною поршня та верхньою частиною циліндра при знаходженні поршня у верхній мертвою точкоюназивається камерою згоряння. Клапани в цей такт роботи двигуна закриті повністю. Чим щільніше вони закриті, тим стиснення відбувається якісніше. Велике значення має, в даному випадку, стан поршня, циліндра, поршневих кілець Якщо є великі зазори, то хорошого стиснення не вийде, а, відповідно, потужність такого двигуна буде набагато нижчою. Компресію можна перевірити спеціальним приладом. За величиною компресії можна зробити висновок про ступінь зношування двигуна.

Третій такт – робочий хід

Третій такт – робітник, що починається з ВМТ. Робітником він називається невипадково. Адже саме в цьому такті відбувається дія, що змушує автомобіль рухатися. У цьому вся такті в роботу вступає система запалювання. Чому така система так називається? Та тому, що вона відповідає за підпалювання паливної суміші, стиснутої в циліндрі, камері згоряння. Працює це дуже просто – свічка системи дає іскру. Заради справедливості, варто зауважити, що іскра видається на свічці запалювання за кілька градусів до досягнення поршнем верхньої точки. Ці градуси, в сучасному двигуні, автоматично регулюються «мозками» автомобіля.
Після того, як паливо загориться, відбувається вибух - воно різко збільшується в об'ємі, змушуючи поршень рухатися вниз. Клапани в такті роботи двигуна, як і в попередньому, знаходяться в закритому стані.

Четвертий такт – такт випуску

Четвертий такт роботи двигуна, останній – випускний. Досягши нижньої точки, після робочого такту, у двигуні починає відкриватися випускний клапан. Таких клапанів, як і впускних, може бути кілька. Рухаючись вгору, поршень через цей клапан видаляє гази, що відпрацювали, з циліндра – вентилює його. Від чіткої роботи клапанів залежить ступінь стиснення в циліндрах, повне видалення відпрацьованих газів та необхідна кількістьпаливно-повітряної суміші, що всмоктується.

Після четвертого такту настає черга першого. Процес повторюється циклічно. А за рахунок чого відбувається обертання - робота двигуна внутрішнього згоряння всі 4 такти, що змушує поршень підніматися і опускатися в тактах стиснення, випуску та впуску? Справа в тому, що не вся енергія, яка отримується в робочому такті, прямує на рух автомобіля. Частина енергії йде на розкручування маховика. А він, під дією інерції, крутить колінчастий вал двигуна, переміщуючи поршень у період неробочих тактів.

Газорозподільчий механізм

Газорозподільний механізм (ГРМ) призначений для упорскування палива та випуску відпрацьованих газів у двигунах внутрішнього згоряння. Сам механізм газорозподілу ділиться на нижньоклапанний, коли розподільний вал знаходиться в блоці циліндрів і верхньоклапанний. Верхнеклапанний механізм має на увазі знаходження розподільного валу в головці блоку циліндрів (ГБЦ). Існують і альтернативні механізми газорозподілу, такі як гільзова система ГРМ, десмодромна система та механізм із змінними фазами.
Для двотактних двигунів механізм газорозподілу здійснюється за допомогою впускних та випускних вікон у циліндрі. Для чотиритактних двигунівнайпоширеніша система верхньоклапанна, про неї і йтиметься нижче.

Пристрій ГРМ
У верхній частині блоку циліндрів знаходиться ГБЦ (головка блоку циліндрів) з розташованими на ній розподільчим валом, клапанами, штовхачами чи коромислами. Шків приводу розподільного валу винесений за межі головки блоку циліндрів. Для виключення протікання моторного масла з-під клапанної кришки, на шийку розподільного валу встановлюється сальник. Сама клапанна кришка встановлюється на масло-бензостійку прокладку. Ремінь ГРМ або ланцюг одягається на шків розподільного валу і приводиться в дію шестерней колінчастого валу. Для натягу ременя використовуються натяжні ролики, для ланцюга натяжні «черевики». Зазвичай ременем ГРМприводиться в дію помпа водяної системи охолодження, проміжний вал для системи запалення та привід високого насоса. тиску ТНВД(для дизельних варіантів).
З протилежного боку розподільного валу за допомогою прямої передачі або за допомогою ременя, можуть приводитися в дію вакуумний підсилювач, гідропідсилювач керма або автомобільний генератор.

Розподільний вал являє собою вісь з проточеними на ній кулачками. Кулачки розташовані по валу так, що в процесі обертання, стикаючись з штовхачами клапанів, натискають на них точно відповідно до робочих такт двигуна.
Існують двигуни і з двома розподільними валами (DOHC) і великою кількістю клапанів. Як і в першому випадку, шківи приводяться в дію одним ременем ГРМ і ланцюгом. Кожен розподільний вал закриває один тип клапанів впускних або випускних.
Клапан натискається коромислом (ранні версії двигунів) чи штовхачем. Розрізняють два види штовхачів. Перший – штовхачі, де зазор регулюється калібрувальними шайбами, другий – гідроштовхачі. Гідроштовхач пом'якшує удар по клапану завдяки маслу, що знаходиться в ньому. Регулювання зазору між кулачком та верхньою частиною штовхача не потрібне.

Принцип роботи ГРМ

Весь процес газорозподілу зводиться до синхронного обертання колінчастого валу та розподільчого валу. А також відкривання впускних і випускних клапанів у певному місці положення поршнів.
Для точного розташування розподільного валу щодо колінвалу використовуються настановні мітки. Перед одяганням ременя газорозподільного механізму поєднуються та фіксуються мітки. Потім одягається ремінь, «звільняються» шківи, ​​після чого ремінь натягується натяжними роликами.
При відкритті клапана коромислом відбувається таке: розподільний вал кулачком «наїжджає» на коромисло, яке натискає на клапан, після проходження кулачка, клапан під дією пружини закривається. Клапани у разі розташовуються v-образно.
Якщо в двигуні застосовані штовхачі, то розподільний вал знаходиться безпосередньо над штовхачами, при обертанні, натискаючи своїми кулачками на них. Перевага такого ГРМ – малі шуми, невелика ціна, ремонтопридатність.
У ланцюговому двигунівесь процес газорозподілу той самий, тільки при складанні механізму, ланцюг одягається на вал разом із шківом.

Кривошипно-шатунний механізм

Кривошипно-шатунний механізм (далі скорочено – КШМ) – механізм двигуна. Основним призначенням КШМ є перетворення зворотно-поступальних рухів поршня циліндричної форми в обертальні рухи колінчастого валу в двигуні внутрішнього згоряння і навпаки.

Пристрій КШМ
Поршень

Поршень має вигляд циліндра, виготовленого із сплавів алюмінію. Основна функція цієї деталі полягає у перетворенні на механічну роботу зміни тиску газу, або навпаки, - нагнітання тиску за рахунок зворотно-поступального руху.
Поршень є складені воєдино днище, головку і спідницю, які виконують зовсім різні функції. Днище поршня плоскої, увігнутої або опуклої форми містить камеру згоряння. Головка має нарізані канавки, де розміщуються поршневі кільця (компресійні та маслознімні). Компресійні кільця виключають прорив газів у картер двигуна, а поршневі маслознімні кільцясприяють видаленню надлишків олії на внутрішніх стінках циліндра. У спідниці розташовані дві боби, що забезпечують розміщення поршень з шатуном поршневого пальця.

Виготовлений штампуванням або кований сталевий (рідше – титановий) шатун має шарнірні з'єднання. Основна роль шатуна полягає у передачі поршневого зусилля до колінчастого валу. Конструкція шатуна передбачає наявність верхньої та нижньої головки, а також стрижня з двотавровим перетином. У верхній головці і бобишках знаходиться поршневий палець, що обертається («плаває»), а нижня головка - розбірна, дозволяючи, тим самим, забезпечити тісне з'єднання з шийкою валу. Сучасна технологіяконтрольованого розколювання нижньої головки дозволяє забезпечити високу точність з'єднання її частин.

Маховик встановлюється на кінці колінчастого валу. На сьогоднішній день знаходять широке застосування двомасові маховики, що мають вигляд двох, пружно з'єднаних між собою дисків. Зубчастий вінець маховика бере безпосередню участь у запуску двигуна через стартер.

Блок та головка циліндрів

Блок циліндрів і головка блоку циліндрів відливаються з чавуну (рідше сплавів алюмінію). У блоці циліндрів передбачені сорочки охолодження, ліжка для підшипників колінчастого та розподільчого валів, а також точки кріплення приладів та вузлів. Сам циліндр виконує функцію направляючої для поршнів. Головка блоку циліндра має в своєму розпорядженні камеру згоряння, впускні-випускні канали, спеціальні різьбові отвори для свічок системи запалювання, втулки і запресовані сідла. Герметичність з'єднання блоку циліндрів із головкою забезпечені прокладкою. Крім того, головка циліндра закрита кришкою штампованої, а між ними, як правило, встановлюється прокладка з маслостійкої гуми.

В цілому, поршень, гільза циліндрів і шатун формують циліндр або циліндропоршневу групукривошипно-шатунного механізму Сучасні двигуни можуть мати до 16 і більше циліндрів.